물리학 실험 보고서_쿨롱의 법칙 예비 보고서_Ver1_200425_R0

 

1.실험제목

쿨롱의 법칙

 

2.실험목적

쿨롱의 법칙은 두 전하의 크기에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 나타난다. 두 잔하 사이의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 확인한다.

 

3.이론

 

-쿨롱

프랑스의 쿨리학자 전기학자로 금속선의 탄성과 비틀림을 연구하던 중 정밀한 비틀림 저울을 고안하여 전하를 띤 물체 사이에 작용하는 힘과 자석의 간극간에 작용하는 인력과 척력을 측정함으로써 쿨롱의 법칙을 발견하였다. 쿨롱의 법칙은 전하 사이에 작용하는 인력과 척력은 두 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하단 것이다. 이 비틀림 저울은 케번디시가 만유인력 상수를 구하는 데에도 사용되었다. 측정 방법은 같은 부호의 전하인 경우에 비틀림 저울의 금속선을 비틀고 그 금속선의 복원력과 전하 사이 거리의 관계를 조사함으로써 85년 전하 사이의 척력이 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 발견했다.

 

-쿨롱의 법칙

1785년 프랑스의 물리 학자인 쿨롱이 비틀림 저울을 사용해서 실험에 의해 발견한 기본 법칙. 균일한 매질 속에 떨어져 정지하고 있는 2개의 점전하 사이에 작용하는 힘은 그것들을 잇는 직선에 따라 작용하고 그 힘의 크기는 전하의 곱에 비례하며 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다는 것. 이 법칙속의 힘은 전하만에 의거한 것으로 쿨롱힘이라고 한다. 2개의 점전하를 q, q' 점전하 사이의 거리를 r라고 할때 힘의 크기는 다음과 같다.

f= k q q'/ k는 비례 상수이고 CGS정전기 단위를 사용하면 1이 된다.

 

 

-유전률

유전 상수라고도 한다. 즉 c/c0 의 비이다. 유전체의 성질을 나타내는 기본 상수이다. 유전율 , 전기 편극 P, 전기 변위 D, 전기장의 세기 E와 사이에는 D = E + P = E 의 관계가 있다. MKSA단위계에서는 특정한 하원과 수치가 정해지므로 절대 유전율이라 하고 진공에서의 유전율과의 비를 비유전율이라 한다. 유전율은 전기장에서의 주파수에 의해 변화한다. 이것을 분산이라 한다. 빛의 주파수에 대한 유전율은 굴절률의 제곱과 같다. 유전율은 온도 압력에 의해서도 변화한다.

 

-가우스의 법칙

전기장 안의 어떤 폐곡면을 통해서 밖으로 향하는 전전속(全電束)은 그 곡면 안의 전전하(全電荷)와 같다는 법칙이다. 쿨롱의 법칙의 다른 표현이기도 하며, 전하가 있을 때 전기장의 세기를 구하는 경우에 자주 쓰인다. 가우스의 법칙은 비록 쿨롱의 법칙을 다시 쓴 것에 불과하지만, 가우스의 법칙을 사용하면 어떤 경우에는 쿨롱의 법칙을 써서 직접 구하는 것보다 아주 쉽게 전기장을 구할 수 있다. 여기서 어떤 경우란 전하 분포가 아주 대칭적이어서 그 주위의 전기장도 대칭적인 경우이다. 예를 들면 구 모양의 전하 분포나 구 껍질 모양의 전하 분포와 같이 구 대칭성을 갖는 경우이다. 여기서 유념해야 할 것은 가우스의 법칙은 비대칭적인 전하 분포와 임의의 닫힌 면에 대해서 모두 성립하지만 단지, 대칭적인 전하 분포에 대해 대칭적인 가우스 면(가우스의 법칙을 적용하는 닫힌 면)을 택할 때에는 그 용도가 크게 나타난다는 점이다.

지금 임의의 폐곡선 S로 둘러싸인 하나의 영역 V를 생각하자. S의 표면에 있는 각 점에서의 전기장의 세기를 E라 하고, 그 점에서 면 S의 법선 n의 방향의 E의 성분을 En이라 하면,

 

가 성립된다. 여기서 ε0 은 진공의 유전율(誘電率), ρ는 영역 V 안에 있는 각 점의 전하밀도이다.

결국

로 나타낼수 있다.

 

 

-대전체

물체가 전하를 가진 상태가 되는 것을 대전한다 하고 대전하고 있는 상태에 있는 물체를 대전체라 한다. 물체가 전하를 가진 상태가 되는 것은 전자가 드나들어 물체가 가진 전자가 너무 많거나 또는 부족하거나 하기 때문이다. 대전체가 계속 전하를 가지고 있을때에는 전하가 흐르지 않도록 주위와 절연되어 있어야한다.

 

-전하

대전되어 있는 물체는 전하를 가진다고 하고 하전상테에 있다고도 한다. 전하의 크기를 전기량이라고 하는데 항상 기본전하량의 정수배가 된다. 전하는 음양의 구별이 있으며 그 분포에 따라 여러 가지 전기 현상이 일어난다. 분포상태가 변하지 않을때가 정전하이며 전하가 이동하는 현상이 전류이다. 전하의 양 즉 전기량은 정전하 사이에 작용하는 힘의 크기로 측정할수 있다.

 

-전기력

대전된 물체가 가지고 있는 전하량을 +, - 로 나타낼수 있다. 대전된 두 물체 사이에 작용하는 힘이 서로 당겨주는 인력인지 아니면 밀어내는 척력인지는 전하량의 곱의 부호에 연관되어있다. 한편 물체에 대전된 정도를 전하량의 크기로 나타내면 힘의 크기는 전하량의 곱의 크기에 비례하는데 이와 같이 대전된 물체끼리 작용하는 힘을 전기력이라고 한다.

 

4.실험방법

1.그림과 같이 설치하고 전원장치 스위치는 쯘상태로 놓고 키기전 전압을 최소로 한다.

2.전자저울이 수평을 이루는지 확인후 영점을 맞춘후 고압 연결선과 접지선을 연결한다.

3.위극판과 아래극판사이 거리를 측정한후 전압을 가하여 준다.

4.전원장치의 스위치를 키고 전압을 서서히 증가시켜 전압으로 맞춘다.

5.평행판을 바꿀 때 먼저 절연봉을 이용하여 -단자를 +극단에 연결시켜 찬에 남아있는 전하를 없애고 측정을 계속한다.

6.단면적이 다른 평행판으로 교환하여 같은 실험을 반복한다.